JP2021061153A - 電子銃、電子顕微鏡、３次元積層造形装置、及び電子銃の電流調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カソードで発生するイオンボンバードを抑制するためには、複雑な機構を追加する必要があった。【解決手段】電子銃１１は、加熱されて熱電子を放出するカソード２０と、カソード２０を加熱するためのカソード電流を供給するカソード加熱電源と、カソード２０の先端の中心軸に沿って第１開口が形成され、カソード２０より低い電位で印加されるグリッド電圧により、第１開口を通過する熱電子を集束するグリッド２１と、中心軸に沿って第２開口が形成され、印加されたアノード電圧により、カソード２０から引き出した熱電子を電子ビームＢとして第２開口に通過させるアノード２２と、アノード２２にアノード電圧を印加するアノード電圧電源２５と、正電位としたアノード電圧をアノード電圧電源２５からアノード２２に印加させる制御部１０と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、電子銃、電子顕微鏡、３次元積層造形装置、及び電子銃の電流調整方法に関する。

熱電子等の電子源を光源とした電子顕微鏡装置や３次元積層造形装置には、電子ビームカラムが搭載されている。電子顕微鏡では、電子ビームを試料に照射し、試料の表面から発生する２次電子や透過電子から画像を得ている。３次元積層造形装置では、ｍＡオーダーの電流をパウダーベッドに敷き詰められた金属粉末（粉末試料）に照射して、金属粉末を溶融した層を重ねることで造形物を造形している。
電子ビームを使用する３次元積層造形装置では、装置が備える制御部がグリッド電圧を制御して、電子ビームのビーム電流を任意の値に設定していた。一方、電子顕微鏡では、電子ビーム軸上にアパーチャを設け、コンデンサレンズの励磁制御によるビーム開き角調整によって電子ビーム電流を制御していた。

従来、電子銃を用いた各種の装置においては、電子ビームを放出することで発生する正イオンを原因としたカソードへのイオン衝突（「イオンボンバード」という）の対策が講じられていた。

例えば、特許文献１には、アノード電極と、電子ビームが放出される放出口の間に設けられるリペラー電極を備える電子銃について開示されている。この電子銃は、リペラー電極により電子ビームの中心軸線上を遡上してくる正イオンを真空槽側に追い返すことにより、カソード電極の損傷を防ぐ機能を有している。

国際公開第２０１１／０３４０８６号パンフレット

ところで、電子顕微鏡には、正イオンの上昇を防止するイオンリフレクタが付いていないため、電子ビームが照射された試料から発生し、上昇してくる正イオンによって、カソードにイオンボンバードが発生するおそれがあった。また、３次元積層造形装置には、接地電位（０Ｖ）とされるアノードの下に設けられたイオンリフレクタが、上昇してくる正イオンを取り込んでいる。しかし、アノードに散乱電子が当たったり、カソードから広がった電子ビームがアノードに当たったりすることで発生した２次電子は、アノードより上に放出される。この２次電子により、カソードとアノードとの間に残留するガスのイオン化が促進されると、やはりカソードへのイオンボンバードが発生するおそれがあった。

また、特許文献１に開示された技術を用いると、電子銃にリペラー電極を追加しなければならない。このため、リペラー電極を組み込む調整作業が必要となり、電子銃の構成が複雑化していた。

本発明はこのような状況に鑑みて成されたものであり、カソードへのイオンボンバードを防ぐことを目的とする。

本発明に係る電子銃は、加熱されて熱電子を放出するカソードと、カソードを加熱するためのカソード電流を供給するカソード加熱電源と、カソードの先端の中心軸に沿って第１開口が形成され、カソードより低い電位で印加されるグリッド電圧により、第１開口を通過する熱電子を集束するグリッドと、中心軸に沿って第２開口が形成され、印加されたアノード電圧により、カソードから引き出した熱電子を電子ビームとして第２開口に通過させるアノードと、アノードにアノード電圧を印加するアノード電圧電源と、正電位としたアノード電圧をアノード電圧電源からアノードに印加させる制御部と、を備える。

また、本発明に係る電子銃は、加熱されて熱電子を放出するカソードと、カソードを加熱するためのカソード電流を供給するカソード加熱電源と、カソードの先端の中心軸に沿って第１開口が形成され、カソードより低い電位で印加されるグリッド電圧により、第１開口を通過する熱電子を集束するグリッドと、中心軸に沿って第２開口が形成され、接地電位によりカソードから引き出した熱電子を電子ビームとして第２開口に通過させるアノードと、アノードを流れるアノード電流を検出するアノード電流検出部と、検出されたアノード電流が、予め設定された電流閾値を超える場合に、アノード電流を元の値に戻すように、カソード加熱電源からカソードに供給されるカソード電流を増加する制御部と、備える。
また、本発明に係る電子銃は、エミッタと、エミッタの先端の中心軸に沿って第１開口が形成され、エミッタより高い電位で印加される引出電圧により、第１開口を通過する電子をエミッタから引き出す引出し電極と、中心軸に沿って第２開口が形成され、印加されたアノード電圧により、エミッタから引き出した電子を電子ビームとして第２開口に通過させるアノードと、アノードにアノード電圧を印加するアノード電圧電源と、正電位としたアノード電圧をアノード電圧電源からアノードに印加させ、引出電圧を変化させる制御部と、を備える。

本発明によれば、正電位としたアノード電圧がアノード電圧電源からアノードに印加されることにより、例えば、２次電子がアノードに取り込まれ、イオン化された残留ガスはアノード電位で跳ね返されるため、カソードへのイオンボンバードを防ぐことができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

従来の電子顕微鏡の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。 従来の３次元積層造形装置の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電子顕微鏡の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電子銃の構成例を示す拡大図である。 本発明の第１の実施の形態に係る３次元積層造形装置の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。 本発明の第１の実施の形態に係る計算機のハードウェア構成例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電子銃のカソード温度が低いときにカソードから出射される電子ビームの例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電子銃のカソード温度が低いときに制御される電子銃の制御パラメーターの例を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る電子銃のカソード温度が元の温度に戻ったときにカソードから出射される電子ビームの例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電子銃のカソード温度を元の温度に戻すときに制御される電子銃の制御パラメーターの例を示すグラフである。 本発明の第３の実施の形態に係る電子銃の拡大図である。 本発明の第４の実施の形態に係る電界放射型電子銃の拡大図である。 本発明の第４の実施の形態に係る電界放射型電子銃の拡大図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照して説明する。本明細書及び図面において、実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。

［従来の電子銃を備えた電子顕微鏡及び３次元積層造形装置］
始めに、従来の電子銃を備えた電子顕微鏡及び３次元積層造形装置の構成例について、図１と図２を参照して説明する。

まず、従来の電子顕微鏡の構成例について説明する。
図１は、従来の電子顕微鏡１００の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。
電子顕微鏡１００は、電子銃１０１、ガンアライメント１０２、集束レンズ１０３及び対物レンズ１０４を備える。そして、電子銃１０１は、カソード１１０、グリッド１１１、アノード１１２、グリッド電圧電源１１３及び加速電圧電源１１４を備える。

電子ビームＢの光源として用いられるカソード１１０は、例えば、タングステンやＬａＢ_６結晶等により形成される。カソード１１０には、加速電圧電源１１４によって負電位が印加されている。図示しないカソード加熱電源によりカソード１１０自身にカソード電流が通電されたり、熱分解グラファイトヒータ（以下、ＰＧ（Pyrolytic Graphite）ヒータと略記する）等にカソード電流が通電されたりすることで、カソード１１０が１５００〜２０００℃程度まで加熱される。カソード１１０が加熱されると、カソード１１０は熱電子を放出する。

グリッド１１１は、カソード１１０の近傍に配置される。グリッド１１１には、グリッド電圧電源１１３によって、カソード１１０よりもさらに負電位が印加されている。カソード１１０から発生した熱電子は、グリッド１１１のグリッド電位により熱電子の放出量が抑制される。

アノード１１２は、グリッド１１１の下方に配置されている。アノード１１２のアノード電位は、カソード１１０の電位より高い正側に相当する接地電位である。このため、カソード１１０から発生した熱電子は、アノード電位により、アノード方向（図面下側）に引き出される。上述したように熱電子は、グリッド１１１の電位により放出量が抑制されるため、グリッド１１１の電位を負側に大きくすることで熱電子の放出量が抑えられ、見掛け上の電子発生領域（光源）が小さくなる。

通常、アノード１１２が接地電位となっており、カソード１１０に印加される電位がマイナス数１０ｋＶである。このため、数１０ｋＶの電位差で加速された熱電子が電子ビームＢとして、アノード１１２を通り抜けた後、ガンアライメント１０２、集束レンズ１０３及び対物レンズ１０４を経て、ステージ１０５に載置された試料に照射される。

そこで、ガンアライメント１０２は、電子ビームＢを集束レンズ１０３及び対物レンズ１０４のレンズ中心を通るように、装置内の機械的な軸ずれ等を補正する。
集束レンズ１０３は、電子ビームＢをクロスオーバーして、電子ビームＢの照射範囲を規制する。電子顕微鏡１００では、不図示のアパーチャで電子ビームＢの形状や開き角を調整する。
対物レンズ１０４は、試料に電子ビームＢを集束させる。

カソード１１０から放出される熱電子の一部は、アノード１１２に当たることがある。例えば、領域１１５に示すように、アノード１１２に熱電子が当たると、アノード１１２から２次電子が発生する。２次電子の大半は約１００ｅＶ以下のエネルギーを持っているので、その周辺の残留ガスが容易にイオン化して、そのイオンがカソード１１０に衝突するイオンボンバードが発生する。そして、カソード１１０は、衝突したイオンにより損傷してしまう。

次に、従来の３次元積層造形装置の構成例について説明する。
図２は、従来の３次元積層造形装置２００の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。
３次元積層造形装置２００は、電子銃２０１、ガンアライメント２０２、集束レンズ２０３、対物レンズ２０４、イオンリフレクタ２０５及びリフレクタ電源２０６を備える。そして、電子銃２０１は、カソード２１０、グリッド２１１、アノード２１２、グリッド電圧電源２１３及び加速電圧電源２１４を備える。

電子銃２０１、ガンアライメント２０２、集束レンズ２０３及び対物レンズ２０４の構成及び機能は、図１に示した電子銃１０１、ガンアライメント１０２、集束レンズ１０３及び対物レンズ１０４の構成及び機能と同様であるため、詳細な説明を省略する。また、カソード２１０、グリッド２１１、アノード２１２、グリッド電圧電源２１３及び加速電圧電源２１４の構成及び機能についても、図１に示したカソード１１０、グリッド１１１、アノード１１２、グリッド電圧電源１１３及び加速電圧電源１１４の構成及び機能と同様であるため、詳細な説明を省略する。

電子銃２０１から出射される電子ビームＢは、ガンアライメント２０２、集束レンズ２０３、対物レンズ２０４を経て、パウダーベッド２０７に敷き詰められた粉末試料に照射される。電子ビームＢが照射された箇所にある粉末試料は層ごとに溶融し、パウダーベッド２０７上で積層されて３次元の造形物が造形される。

ここで、３次元積層造形装置２００が照射可能な電子ビームＢのビーム電流は、電子顕微鏡１００のビーム電流に比べて桁違いに大きい。このため、カソード２１０から引き出された１次電子からなる電子ビームＢ（１次ビーム）や、電子ビームＢが照射されたパウダーベッド２０７からの反射電子を含む２次電子や、ガンチャンバー（不図示）内の散乱電子等により、ガンチャンバー内や電子ビームカラム内の残留ガスがイオン化される。

このとき、イオン化される残留ガスのほとんどが正イオンである。このため、正イオンは、電子ビームカラム内を１次ビームに引き付けられつつ、アノード２１２の直下まで上昇する。イオンリフレクタ２０５には、リフレクタ電源２０６により正電圧（５０Ｖ〜１ｋＶ程度）が印加される。正電圧が印加されたイオンリフレクタ２０５のポテンシャル障壁により、イオン化された残留ガスの正イオンが弾かれるので、イオンリフレクタ２０５より上には正イオンが到達しない。

このため、３次元積層造形装置２００における電子ビームカラムには、イオンリフレクタ２０５が必須の構成とされていた。仮に、イオンリフレクタ２０５が設けられていなければ、アノード２１２を通過した正イオンは、カソード２１０の負電位によって上方向に加速される。そして、加速された正イオンがカソード２１０の表面をイオンボンバードすると、カソード２１０にダメージを与えてしまう。

なお、電子顕微鏡１００にもイオンリフレクタを装着することで、イオンリフレクタより下側で生成されたイオンを弾くことができると考えられる。しかし、電子顕微鏡１００にイオンリフレクタを備える構成は、部品点数の増加によりコストアップの要因となりやすい。そこで、イオンリフレクタを備えない構成とした本発明の実施の形態に係る電子顕微鏡及び３次元積層造形装置の構成例について、以下に説明する。

［第１の実施の形態に係る電子銃を備えた電子顕微鏡及び３次元積層造形装置］
次に、本発明の第１の実施の形態に係る電子銃を備えた電子顕微鏡（走査電子顕微鏡）及び３次元積層造形装置の構成例について、図３〜図６を参照して説明する。

＜電子顕微鏡の構成例＞
図３は、電子顕微鏡１の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。
電子顕微鏡１は、電子銃１１、電子光学系１２及びステージ１６を備える。そして、電子銃１１は、制御部１０、カソード２０、グリッド２１、アノード２２、グリッド電圧電源２３、加速電圧電源２４及びアノード電圧電源２５を備える。また、電子光学系１２は、ガンアライメント１３、集束レンズ１４及び対物レンズ１５を備える。その他、図示していないが、電子顕微鏡１には、電子ビームＢを走査する偏向コイルや非点補正するためのスティグマコイル等が構成されている。

カソード２０は、カソード加熱電源２７（後述する図４を参照）がカソード２０を加熱するために供給するカソード電流によって加熱されて熱電子を放出する。
グリッド２１には、カソード２０の先端の中心軸Ｃに沿って第１開口２１ａが形成される。そして、グリッド２１は、カソード２０より低い電位で印加されるグリッド電圧により、第１開口２１ａを通過する熱電子を集束する。
アノード２２には、中心軸Ｃに沿って第２開口２２ａが形成される。そして、アノード２２は、アノード電圧電源２５から印加されたアノード電圧により、カソード２０から熱電子を引き出して、電子ビームＢとして第２開口２２ａに通過させる。

そして、制御部１０は、正電位としたアノード電圧をアノード電圧電源２５からアノード２２に印加させる。また、制御部１０は、電子顕微鏡１における電源２３〜２５、及び電子光学系１２の動作を制御する。そして、電子光学系１２は、ステージ１６に載置された試料に対して電子ビームＢを走査する。

電子顕微鏡１の電子ビームカラムの構成は、基本的に、図１に示した従来の電子顕微鏡１００の構成と同じである。つまり、電子銃１１、ガンアライメント１３、集束レンズ１４及び対物レンズ１５の構成及び機能は、図１に示した電子銃１０１、ガンアライメント１０２、集束レンズ１０３及び対物レンズ１０４の構成及び機能と同様である。

グリッド電圧電源２３は、カソード２０より低い電位のグリッド電圧をグリッド２１に印加する。
加速電圧電源２４は、カソード２０及びグリッド２１に共通して負電圧を印加する。
アノード電圧電源２５は、アノード２２に正電圧を印加する。

本実施の形態に係る電子銃１１のカソード２０は、例えば、ランタンホウ化物（ＬａＢ_６）で形成される。アノード２２は、電子励起の２次電子放出が少ないチタン（Ｔｉ）等の材料で形成される。

アノード２２には、正電圧を印加するアノード電圧電源２５が設けられる。このため、アノード２２で２次電子が放出されても、領域２６に示すように、２次電子が直ちにアノード２２に取り込まれる。このようにアノード２２から放出された２次電子の発生が抑えられるため、この２次電子による残留ガスのイオン化が抑制され、カソード２０やグリッド２１まで到達するイオンを減らすことができる。つまり、正電圧が印加されたアノード２２はイオンリフレクタのようにイオンボンバードを防ぐ機能を有する。

図４は、電子銃１１の構成例を示す拡大図である。
電子銃１１は、図３に示した制御部１０（図４では不図示）、カソード２０、グリッド２１及びアノード２２に加えて、ガンチャンバー５１、真空引きパイプ５２、ガイシ５３，５４、ライナーチューブ５５を備える。

ガンチャンバー５１は、カソード２０、グリッド２１及びアノード２２を内部に備えて形成される。
真空引きパイプ５２は、ガンチャンバー５１の一側面に取り付けられ、不図示の真空ポンプに接続される。真空ポンプが稼働すると、ガンチャンバー５１内の空気が真空引きパイプ５２を通って排出され、ガンチャンバー５１内がほぼ真空状態となる。ただし、ガンチャンバー５１内には、わずかにガスが残留する。

ガイシ５３，５４は、いずれも非導電材料で形成され、絶縁性を有する。
ガイシ５３には、カソード２０に接続された２本の電流導入端子２０ａ、グリッド２１に接続された１本の電流導入端子２１ｂが貫通され、カソード２０とグリッド２１がガンチャンバー５１と接触しないように構成される。カソード２０に接続された２本の電流導入端子２０ａは、それぞれガンチャンバー５１の外部にある導線を通じてカソード加熱電源２７の正極又は負極に接続される。２本の電流導入端子２０ａにより通電されたＰＧヒータ２０ｂは、カソード２０を加熱する。グリッド２１に接続された電流導入端子２１ｂは、ガンチャンバー５１の外部にある導線を通じてグリッド電圧電源２３の負極に接続される。

ガイシ５４は、アノード２２がガンチャンバー５１と接触しないように、アノード２２を保持する。アノード２２は、ガンチャンバー５１内に入り込んだ導線を通じて外部のアノード電圧電源２５の正極に接続される。

ライナーチューブ５５は、カソード２０から放出される電子ビームＢの通路に設けられた筒である。なお、図３では、ライナーチューブ５５の図示を省略している。このライナーチューブ５５は、ガンアライメント１３、集束レンズ１４及び対物レンズ１５などの部品を真空外に置くための真空隔壁として機能する。ライナーチューブ５５は、例えば、基準電位（接地電位）に保たれている。そして、ライナーチューブ５５とアノード２２は、互いに接触していないため、アノード電圧電源２５によりアノード２２が正電位に保たれる。そして、カソード２０から放出される電子ビームＢは、ライナーチューブ５５を通ってステージ１６に載置された試料に照射される。

このように電子ビームカラムが構成されるため、ガンチャンバー５１や電子ビームカラム内で発生した正イオンは、接地電位であるライナーチューブ５５に引き付けられる。また、正イオンのエネルギーが最大でも１００ｅＶ程度であるので、６０Ｖ〜１ｋＶ程度の正電圧がアノード２２に印加されていると、ほとんどの正イオンがアノード２２のポテンシャル障壁を越えられず、アノード２２に取り込まれる。このため、アノード２２より上にあるカソード２０との加速電場に正イオンが到達しない。

また、カソード２０から広がって放出される電子ビームＢの一部がアノード２２に当たっても、アノード２２から発生する２次電子が少なくなる。また、アノード２２から発生した低いエネルギーの２次電子は、正電圧が印加されたアノード２２に取り込まれ、アノード２２の上方に放出されにくい。このためカソード２０とアノード２２との間に生成されるイオンの生成量が少なくなり、カソード２０へのイオンボンバードが抑制できる。

ここまで、図４を参照して、熱電子タイプの電子源とした電子銃１１に関する説明を行ったが、電界放射タイプの電子源とした電子銃についても同様の効果を奏する。

＜３次元積層造形装置の構成例＞
ここで、第１の実施の形態に係る３次元積層造形装置の構成例について説明する。
図５は、３次元積層造形装置２の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。

３次元積層造形装置２は、電子銃３１、電子光学系３２及び粉末供給系３３を備える。
粉末供給系３３は、粉末試料をパウダーベッド３７に敷き詰める。
電子銃３１は、電子ビームＢを発生し、電子光学系３２がパウダーベッド３７に敷き詰められた粉末試料に対して電子ビームＢを走査する。

この電子銃３１は、制御部３０、カソード４０、グリッド４１、アノード４２、グリッド電圧電源４３、加速電圧電源４４及びアノード電圧電源４５を備える。電子光学系３２は、ガンアライメント３４、集束レンズ３５及び対物レンズ３６を備える。粉末供給系３３は、パウダーベッド３７を備える。

カソード４０は、カソード加熱電源（図４を参照）がカソード４０を加熱するために供給するカソード電流によって加熱されて熱電子を放出する。
グリッド４１には、カソード４０の先端の中心軸Ｃに沿って第１開口４１ａが形成される。そして、グリッド４１は、カソード４０より低い電位で印加されるグリッド電圧により、第１開口４１ａを通過する熱電子を集束する。
アノード４２には、中心軸Ｃに沿って第２開口４２ａが形成される。そして、アノード４２は、アノード電圧電源４５から印加されたアノード電圧により、カソード４０から引き出した熱電子を電子ビームＢとして第２開口４２ａに通過させる。
そして、制御部３０は、正電位としたアノード電圧をアノード電圧電源４５からアノード４２に印加させる。

制御部３０は、３次元積層造形装置２における電源４３〜４５、及び電子光学系３２及び粉末供給系３３の動作を制御する。
３次元積層造形装置２の電子ビームカラムの構成は、基本的に、図２に示した従来の３次元積層造形装置２００の構成と同じである。つまり、電子銃３１、ガンアライメント３４、集束レンズ３５及び対物レンズ３６の構成及び機能は、図２に示した電子銃２０１、ガンアライメント２０２、集束レンズ２０３及び対物レンズ２０４の構成及び機能と同様である。

グリッド電圧電源４３は、カソード４０より低い電位のグリッド電圧をグリッド４１に印加する。
加速電圧電源４４は、カソード４０及びグリッド４１に共通して負電圧を印加する。
アノード電圧電源４５は、アノード４２に正電圧を印加する。

また、３次元積層造形装置２が備える電子銃３１についても、図４に示した電子顕微鏡１が備える電子銃１１と同様の構成である。このため、３次元積層造形装置２の電子銃３１及び電子ビームカラムの構成例については、詳細な説明を省略する。

ただし、第１の実施の形態に係る３次元積層造形装置２は、図２に示したイオンリフレクタ２０５及びリフレクタ電源２０６を備えない。このような構成であっても、電子銃３１の構成を、図４に示した電子顕微鏡１の電子銃１１と同様の構成とすることで、発生した正イオンのカソード４０への衝突（イオンボンバード）を防ぐことが可能となる。

次に、計算機６０のハードウェア構成例について説明する。
図６は、計算機６０のハードウェア構成例を示すブロック図である。計算機６０は、制御部１０又は制御部３０として動作可能なコンピューターとして用いられるハードウェアの一例である。

計算機６０は、バス６４にそれぞれ接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）６１、ＲＯＭ（Read Only Memory）６２、ＲＡＭ（Random Access Memory）６３及びバス６４を備える。さらに、計算機６０は、表示装置６５、入力装置６６、不揮発性ストレージ６７及びネットワークインターフェイス６８を備える。

ＣＰＵ６１は、本実施の形態に係る各機能を実現するソフトウェアのプログラムコードをＲＯＭ６２から読み出してＲＡＭ６３にロードし、実行する。ＲＡＭ６３には、ＣＰＵ６１の演算処理の途中で発生した変数やパラメーター等が一時的に書き込まれ、これらの変数やパラメーター等がＣＰＵ６１によって適宜読み出される。ただし、ＣＰＵ６１に代えてＭＰＵ（Micro Processing Unit）を用いてもよい。そして、ＣＰＵ６１は、図３に示した電源２３〜２５、又は図５に示した電源４３〜４５の動作を制御して所望の電子ビームＢを得る。

表示装置６５は、例えば、液晶ディスプレイモニターであり、計算機６０で行われる処理の結果等をユーザーに表示する。例えば、電子顕微鏡１に設けられる表示装置６５には、試料の測定結果や画像が表示され、３次元積層造形装置２に設けられる表示装置６５には、積層造形された各層における造形結果等が表示される。入力装置６６には、例えば、キーボード、マウス等が用いられ、ユーザーが所定の操作入力、指示を行うことが可能である。

不揮発性ストレージ６７としては、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、フレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ又は不揮発性のメモリ等が用いられる。この不揮発性ストレージ６７には、ＯＳ（Operating System）、各種のパラメーターの他に、計算機６０を機能させるためのプログラムが記録されている。ＲＯＭ６２及び不揮発性ストレージ６７は、ＣＰＵ６１が動作するために必要なプログラムやデータ等を永続的に記録しており、計算機６０によって実行されるプログラムを格納したコンピューター読取可能な非一過性の記録媒体の一例として用いられる。

ネットワークインターフェイス６８には、例えば、ＮＩＣ（Network Interface Card）等が用いられる。ＮＩＣの端子に接続されたＬＡＮ（Local Area Network）、専用線等を介して電子顕微鏡１とＰＣ（Personal Computer）間、又は３次元積層造形装置２とＰＣ間で各種のデータを送受信することが可能である。

以上説明した第１の実施の形態に係る電子銃１１が備える制御部１０は、アノード電圧電源２５を制御して、アノード２２に正電圧を印加する。このため、アノード２２は、２次電子を取り込む。また、アノード２２は、アノード２２より下方で残留ガスがイオン化されて生成された正イオンをアノード電位で跳ね返し、カソード２０まで正イオンを向かわせないので従来のイオンリフレクタのように機能する。また、アノード２２は、２次電子の生成を抑制するチタン（Ｔｉ）によって形成される。このため、アノード２２は、カソード２０とアノード２２間でのイオン化を促進する２次電子の生成を抑制でき、イオンボンバードによるカソード２０へのダメージを軽減することができる。

また、第１の実施の形態に係る電子銃３１では、制御部３０が、アノード電圧電源４５を制御して、アノード４２に正電圧を印加する。このため、アノード４２は、２次電子を取り込む。また、アノード４２は、アノード４２より下方で残留ガスがイオン化されて生成された正イオンをアノード電位で跳ね返し、カソード４０まで正イオンを向かわせないので従来のイオンリフレクタのように機能する。アノード４２についても、２次電子の生成を抑制するチタン（Ｔｉ）によって形成される。このため、アノード４２は、カソード４０とアノード４２間でのイオン化を促進する２次電子の生成を抑制でき、イオンボンバードによるカソード４０へのダメージを軽減することができる。

このように本実施の形態に係る電子銃１１，３１では、イオンリフレクタを備えなくてもよく、装置の構成を簡便とすることができる。

アノード２２又は４２を形成可能な材料としては、チタン以外にも、元素周期表の３族から６族の間、かつ第４周期から第５周期に属する元素（スカンジウムを除く）からなる材料を用いてもよい。例えば、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）又はモリブデン（Ｍｏ）のいずれかをアノード２２又は４２を形成する材料として用いてもよい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る電子銃の構成例及び動作例について、図７〜図１０を参照して説明する。本実施の形態に係る電子銃では、アノード電流を検出することで電子ビームＢの広がりを制御することを可能とする。

＜電子ビームの広がりの説明＞
始めに、カソード温度の高低によって変化する電子ビームＢの広がりについて説明する。そこで、第２の実施の形態に係る電子顕微鏡１が備える電子銃１１Ａの拡大図を示し、電子ビームＢの広がりと、広がりの抑制方法について、図７〜図１０を参照して説明する。

図７は、電子銃１１Ａのカソード温度が低いときにカソード２０から出射される電子ビームの例を示す図である。
図８は、電子銃１１Ａのカソード温度が低いときに制御される電子銃１１Ａの制御パラメーターの例を示すグラフである。

図７に示すように、カソード２０を加熱するＰＧヒータ２０ｂが、カソード２０を挟んだ状態で通電されることで、カソード２０を加熱している。このとき、カソード２０から蒸発したランタンホウ化物の一部（主にランタン（Ｌａ））がＰＧヒータ２０ｂの表面に蒸着すると、ＰＧヒータ２０ｂの抵抗値が下がる。このため、ＰＧヒータ２０ｂに供給される加熱電流に変化がなければ、ＰＧヒータ２０ｂの加熱温度が下がり、カソード温度も下がってしまう。

図８に示すように、カソード２０のカソード温度が下がると、カソード２０から放出される熱電子が少なくなり、電子ビームＢのビーム電流量も減る。そこで、制御部１０は、カソード温度が下がる前と同じビーム電流量を得るために、時刻ｔ１にてグリッド２１のグリッド電圧を下げる制御を行う。このとき、熱電子の放出領域が広がり、カソード２０から放出される熱電子の量も増える。

しかし、グリッド電圧が下がると、図７に示すようにカソード２０から出射される電子ビームＢが広がりやすくなり、電子ビームＢがアノード２２に当たるビーム量が増えてしまう。このため、電子源としての角電流密度が減り、光源輝度が小さくなるため、適切な光量で試料を観察することができなくなる（分解能低下）。

そこで、本実施の形態に係る電子銃１１Ａでは、電子ビームＢからアノード２２に流れ込むアノード電流を検出することが可能なアノード電流検出部２８を新たに設ける。そして、制御部１０は、アノード電流検出部２８が検出したアノード電流が、予め設定された電流閾値を超える場合に、アノード電流を元の値に戻すように、カソード加熱電源２７からカソード２０に供給されるカソード電流を増加する制御を行う。このとき、制御部１０は、検出されたアノード電流の単位時間当たりの増加量に応じて、カソード電流を増加する制御を行う。

３次元積層造形装置（３Ｄプリンタ）の場合、実際のアノード電流とフィラメント（カソード加熱電流）との関係として、例えば、正常な状態に検出されるアノード電流は、約２０ｕＡ程度であり、初期状態でのカソード加熱電流は１１００ｍＡであるとする。しかし、長時間にわたって電子銃１１Ａが使用されると、ＰＧヒータ２０ｂにＬａが蒸着され、ＰＧヒータ２０ｂの抵抗値が小さくなる。このとき、カソード温度が下がるが、制御部１０は、同じビーム電流を維持するため、グリッド電圧をカソード電圧に近づけ、グリッド電圧とカソード電圧の電位差を０Ｖに近づける。

＜アノード電流の調整方法＞
図９は、電子銃１１Ａのカソード温度が元の温度に戻ったときにカソード２０から出射される電子ビームの例を示す図である。
図１０は、電子銃１１Ａのカソード温度を元の温度に戻すときに制御される電子銃１１Ａの制御パラメーターの例を示すグラフである。電子銃１１Ａの動作を制御する制御部１０は、図１０に示す手順により、電子銃１１Ａのアノード電流を調整する電流調整方法を実行する。

始めに、制御部１０は、正電位としたアノード電圧をアノード電圧電源２５からアノード２２に印加させる。その後、図７と図８に示したように、制御部１０がグリッド電圧を下げることで広がった電子ビームＢがアノード２２に当たる量が増えると、アノード２２を流れるアノード電流が増加したことをアノード電流検出部２８が検出する。この時、アノード電流は、電子ビームＢがアノード２２に当たる前に比べて、一桁程度大きくなる。このため、図１０に示すように、時刻ｔ１１にてアノード電流検出部２８は、アノード電流が電流閾値よりも増加したことを検知したとする。

そして、時刻ｔ１２にて、制御部１０は、アノード電流を正常時の元の値、すなわち電流閾値よりも下げる制御を開始する。このとき、制御部１０は、カソード加熱電源２７を制御し、カソード２０のカソード電流を増やしてカソード２０を加熱すると共に、グリッド電圧電源２３を制御してグリッド電圧を高くする。このような制御により、図９に示す電子銃１１Ａでは、カソード２０から放出される熱電子の量が維持されたまま、グリッド２１の電位が負側に大きくなるため、電子ビームＢが絞り込まれるので、電子ビームＢがアノード２２に当たらない正常な状態に戻る。例えば、制御部１０は、カソード電流を１１００ｍＡから１１５０ｍＡに増やすことにより、アノード電流を再び２０ｕＡ程度に下げることができる。時刻ｔ１３にて電子ビームＢが正常な状態に戻った後、制御部１０は、増加させたカソード電流を規定値として、カソード２０にカソード電流を供給する処理を続ける。

以上説明した第２の実施の形態に係る電子銃１１Ａが備える制御部１０は、アノード電流の検出結果に基づいて、カソード温度が妥当であるかを評価する。そして、制御部１０は、アノード電流が正常時の値に戻るように、カソード２０を加熱するカソード電流、及びグリッド電圧を増加して、カソード２０を最適温度に制御することが可能となる。

なお、第２の実施の形態に係る電子銃１１Ａで行われた制御と同様の制御は、図５に示した３次元積層造形装置２が備える電子銃３１にて行うことも可能である。この場合、電子銃３１は、アノード４２にアノード電流を検出可能なアノード電流検出部を設けておき、制御部３０は、このアノード電流検出部が検出したアノード電流に基づいて、カソード電流及びグリッド電圧を制御する。

［第３の実施の形態］
上述した第２の実施の形態に係る電子銃１１Ａでは、アノード電圧電源２５がアノード２２に正電位としたアノード電圧を印加する構成としていた。しかし、電子銃１１Ａは、アノード電圧電源２５を備えない構成としてもよい。ここで、第３の実施の形態に係る電子銃１１Ｂの構成例について、図１１を参照して説明する。
図１１は、第３の実施の形態に係る電子銃１１Ｂの拡大図である。

この電子銃１１Ｂは、アノード２２にアノード電流検出部２８が接続される。そして、アノード２２の電位は、接地電位である。このような構成とした電子銃１１Ｂであっても、電子ビームＢが広がってアノード２２に当たると、アノード電流検出部２８がアノード電流の増加を検出する。そこで、電子銃１１Ｂの動作を制御する制御部１０は、図１０に示した手順により、電子銃１１Ａのアノード電流を調整する電流調整方法を実行する。

例えば、制御部１０は、アノード電流検出部２８が検出したアノード電流の単位時間当たりの増加量に応じて、カソード電流とグリッド電圧を増加する制御を行う。このように制御部１０は、アノード電流が正常時の元の値に戻すように、カソード２０を加熱するカソード電流を増加して、カソード２０を最適温度に制御することが可能となる。

なお、第３の実施の形態に係る電子銃１１Ｂで行われた制御と同様の制御は、図５に示した３次元積層造形装置２が備える電子銃３１にて行うことも可能である。

［第４の実施の形態］
＜電界放射型電子銃の場合＞
次に、本発明に係る電子銃を電界放射型ＳＥＭ（ＦＥ−ＳＥＭ：Field-Emission Scanning Electron Microscope）に適用した例について、図１２と図１３を参照して説明する。この電界放射型ＳＥＭには、第４の実施の形態に係る電界放射型電子銃１１Ｃが搭載される。

図１２と図１３は、第４の実施の形態に係る電界放射型電子銃１１Ｃの拡大図である。図１２には、電界放射型電子銃１１Ｃの引出し電極７４に引出し電圧電源７５から印加されている引出電圧が低いときにエミッタ７２の先端から放射される電子ビームの例が示され、図１３には、電界放射型電子銃１１Ｃの引出し電極７４に印加されている引出電圧が適切な場合にエミッタ７２から放射される電子ビームの例を示す図である。

電界放射型電子銃１１Ｃは、上述した第２の実施の形態に係る電子銃１１Ａ（図７を参照）に示したアノード２２、加速電圧電源２４、アノード電圧電源２５及びアノード電流検出部２８に加えて、加熱用アーム電極７１、エミッタ７２、フラッシング用加熱電源７３、引出し電極７４及び引出し電圧電源７５を備える。加速電圧電源２４、アノード電圧電源２５、アノード電流検出部２８、フラッシング用加熱電源７３及び引出し電圧電源７５の動作は、制御部７０によって制御される。

エミッタ７２は、タングステン等の単結晶線材を電解研磨等で先鋭化した部品である。そして、エミッタ７２に対して、引出し電極７４が配置される。引出し電極７４は、エミッタ７２の先端の中心軸に沿って第１開口が形成され、エミッタ７２より高い電位で印加される引出電圧により、第１開口を通過する電子をエミッタ７２から引き出す。また、アノード２２についても、エミッタ７２の先端の中心軸に沿って第２開口が形成され、印加されたアノード電圧により、エミッタ７２から引き出した電子を電子ビームとして第２開口に通過させる。

引出し電極７４には、数ｋＶプラスの電圧（引出し電圧）を印加してエミッタ７２から電子を引き出す。また、アノード電圧電源２５は、引出電圧よりも相対的に更にプラスのアノード電圧をアノード２２に印加して、エミッタ７２から引き出された電子を加速する。実際には、アノード２２がほぼＧＮＤ電位（ここでは数１０Ｖ〜１ｋＶ程度のプラスの電圧を印加）であり、引出し電極７４やエミッタ７２にマイナス電圧が印加されている。

タングステン線等で形成された加熱用アーム電極７１（加熱用電極の一例）には、加速電圧電源２４から加速電圧が重畳されるフラッシング用加熱電源７３が接続されている。電界放射型ＳＥＭでは、エミッタ７２の先端に吸着するガス等により、電子のエミッションが不安定になった際に、加熱用アーム電極７１がエミッタ７２を加熱して、エミッタ７２に対してフラッシング処理を行うことで、エミッタ７２の先端を清浄化する。

ここで、フラッシング処理は、フラッシング用加熱電源７３が加熱用アーム電極７１を通電して、ジュール熱で加熱用アーム電極７１を加熱してエミッタ７２の先端も加熱する工程である。この際、制御部７０は、正電位としたアノード電圧をアノード電圧電源２５からアノード２２に印加させ、フラッシング用加熱電源７３に加熱用アーム電極７１を通電させてフラッシング処理を行う。フラッシング処理により、エミッタ７２の先端から吸着ガスが脱離し、エミッタ７２が清浄化される。なお、フラッシング処理ではエミッタ７２の先端が加熱されるので、処理時の温度によっては原子レベルでエミッタ７２の先端形状が変化することがある。

このため、フラッシング処理前のエミッタ７２が清浄時のＳＥＭ像と同等の分解能が得られないことがあり、その一つの要因として、図１２に示したようなエミッタ７２からの電子エミッションの開き角の増加が考えられている。その場合は、アノード電流検出部２８が検出する、アノード２２に通電されるアノード電流が増大する。そこで、制御部７０は、正電位としたアノード電圧をアノード電圧電源２５からアノード２２に印加させ、引出電圧を変化させる。具体的には、制御部７０は、アノード電流検出部２８が検出したアノード電流が、予め設定された電流閾値を超える場合に、アノード電流を元の値に戻すように、引出電圧を変化させる。

例えば、図１３に示すように、制御部７０は、引出し電極７４に印加する引出し電圧を変化させ、アノード電流を小さくなる値に合わせる制御を行う。この制御により、フラッシング処理前のエミッタ７２が清浄時のＳＥＭ像と同等の分解能が得られる。そして、電界放射型電子銃１１Ｃは、電子顕微鏡１や３次元積層造形装置２が備える電子銃として用いられる。

本発明は上述した各実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りその他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。
例えば、上述した各実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために装置の構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ここで説明した実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることは可能であり、さらにはある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１…電子顕微鏡、２…３次元積層造形装置、１０…制御部、１１…電子銃、１２…電子光学系、１３…ガンアライメント、１４…集束レンズ、１５…対物レンズ、１６…ステージ、２０…カソード、２１…グリッド、２２…アノード、２３…グリッド電圧電源、２４…加速電圧電源、２５…アノード電圧電源

Claims (13)

1. 加熱されて熱電子を放出するカソードと、
   前記カソードを加熱するためのカソード電流を供給するカソード加熱電源と、
   前記カソードの先端の中心軸に沿って第１開口が形成され、前記カソードより低い電位で印加されるグリッド電圧により、前記第１開口を通過する前記熱電子を集束するグリッドと、
   前記中心軸に沿って第２開口が形成され、印加されたアノード電圧により、前記カソードから引き出した前記熱電子を電子ビームとして前記第２開口に通過させるアノードと、
   前記アノードに前記アノード電圧を印加するアノード電圧電源と、
   正電位とした前記アノード電圧を前記アノード電圧電源から前記アノードに印加させる制御部と、を備える
   電子銃。
2. 前記アノードを流れるアノード電流を検出するアノード電流検出部を備え、
   前記制御部は、検出された前記アノード電流が、予め設定された電流閾値を超える場合に、前記アノード電流を元の値に戻すように、前記カソード加熱電源が供給する前記カソード電流を増加する
   請求項１に記載の電子銃。
3. 前記制御部は、検出された前記アノード電流の単位時間当たりの増加量に応じて、前記カソード電流を増加する
   請求項２に記載の電子銃。
4. 前記アノードは、元素周期表の３族から６族の間、かつ第４周期から第５周期に属する元素（スカンジウムを除く）のいずれかによって形成される
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子銃。
5. 加熱されて熱電子を放出するカソードと、
   前記カソードを加熱するためのカソード電流を供給するカソード加熱電源と、
   前記カソードの先端の中心軸に沿って第１開口が形成され、前記カソードより低い電位で印加されるグリッド電圧により、前記第１開口を通過する前記熱電子を集束するグリッドと、
   前記中心軸に沿って第２開口が形成され、接地電位により前記カソードから引き出した前記熱電子を電子ビームとして前記第２開口に通過させるアノードと、
   前記アノードを流れるアノード電流を検出するアノード電流検出部と、
   検出された前記アノード電流が、予め設定された電流閾値を超える場合に、前記アノード電流を元の値に戻すように、前記カソード加熱電源から前記カソードに供給されるカソード電流を増加する制御部と、を備える
   電子銃。
6. エミッタと、
   前記エミッタの先端の中心軸に沿って第１開口が形成され、前記エミッタより高い電位で印加される引出電圧により、前記第１開口を通過する電子を前記エミッタから引き出す引出し電極と、
   前記中心軸に沿って第２開口が形成され、印加されたアノード電圧により、前記エミッタから引き出した前記電子を電子ビームとして前記第２開口に通過させるアノードと、
   前記アノードに前記アノード電圧を印加するアノード電圧電源と、
   正電位とした前記アノード電圧を前記アノード電圧電源から前記アノードに印加させ、前記引出電圧を変化させる制御部と、を備える
   電子銃。
7. 前記アノードを流れるアノード電流を検出するアノード電流検出部を備え、
   前記制御部は、検出された前記アノード電流が、予め設定された電流閾値を超える場合に、前記アノード電流を元の値に戻すように、前記引出電圧を変化させる
   請求項６に記載の電子銃。
8. 前記エミッタを加熱して、前記エミッタに対してフラッシング処理を行う加熱用電極と、
   前記加熱用電極を通電して前記加熱用電極を加熱する加熱電源と、を備え、
   前記制御部は、前記加熱電源に前記加熱用電極を通電させて前記フラッシング処理を行う
   請求項６又は７に記載の電子銃。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の電子銃と、
   試料が載置されるステージと、
   前記ステージに載置された前記試料に対して前記電子ビームを走査する電子光学系と、を備える
   電子顕微鏡。
10. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の電子銃と、
    粉末試料が敷き詰められるパウダーベッドと、
    前記粉末試料を前記パウダーベッドに敷き詰める粉末供給系と、
    前記パウダーベッドに敷き詰められた前記粉末試料に対して前記電子ビームを走査する電子光学系と、を備える
    ３次元積層造形装置。
11. 加熱されて熱電子を放出するカソードと、
    前記カソードを加熱するためのカソード電流を供給するカソード加熱電源と、
    前記カソードの先端の中心軸に沿って第１開口が形成され、前記カソードより低い電位で印加されるグリッド電圧により、前記第１開口を通過する前記熱電子を集束するグリッドと、
    前記中心軸に沿って第２開口が形成され、印加されたアノード電圧により、前記カソードから引き出した前記熱電子を電子ビームとして前記第２開口に通過させるアノードと、
    前記アノードに前記アノード電圧を印加するアノード電圧電源と、
    制御部と、
    前記アノードを流れるアノード電流を検出するアノード電流検出部と、を備える電子銃の電流調整方法であって、
    前記制御部は、
    正電位とした前記アノード電圧を前記アノード電圧電源から前記アノードに印加させ、
    前記アノード電流検出部に前記アノード電流を検出させ、
    検出された前記アノード電流が、予め設定された電流閾値を超える場合に、前記アノード電流を元の値に戻すように、前記カソード加熱電源から前記カソードに供給されるカソード電流を増加する
    電子銃の電流調整方法。
12. 加熱されて熱電子を放出するカソードと、
    前記カソードを加熱するためのカソード電流を供給するカソード加熱電源と、
    前記カソードの先端の中心軸に沿って第１開口が形成され、前記カソードより低い電位で印加されるグリッド電圧により、前記第１開口を通過する前記熱電子を集束するグリッドと、
    前記中心軸に沿って第２開口が形成され、接地電位により、前記カソードから引き出した前記熱電子を電子ビームとして通過させるアノードと、
    制御部と、
    前記アノードを流れるアノード電流を検出するアノード電流検出部と、を備える電子銃の電流調整方法であって、
    前記制御部は、
    前記アノード電流検出部に前記アノード電流を検出させ、
    検出された前記アノード電流が、予め設定された電流閾値を超える場合に、前記アノード電流を元の値に戻すように、前記カソード加熱電源から前記カソードに供給されるカソード電流を増加する
    電子銃の電流調整方法。
13. エミッタと、
    前記エミッタの先端の中心軸に沿って第１開口が形成され、前記エミッタより高い電位で印加される引出電圧により、前記第１開口を通過する電子を前記エミッタから引き出す引出し電極と、
    前記中心軸に沿って第２開口が形成され、印加されたアノード電圧により、前記エミッタから引き出した前記電子を電子ビームとして前記第２開口に通過させるアノードと、
    前記アノードに前記アノード電圧を印加するアノード電圧電源と、
    前記エミッタを加熱して、前記エミッタに対してフラッシング処理を行う加熱用電極と、
    前記加熱用電極を通電して前記加熱用電極を加熱する加熱電源と、
    制御部と、
    前記アノードを流れるアノード電流を検出するアノード電流検出部と、を備える電子銃の電流調整方法であって、
    前記制御部は、
    正電位とした前記アノード電圧を前記アノード電圧電源から前記アノードに印加させ、
    前記アノード電流検出部に前記アノード電流を検出させ、
    検出された前記アノード電流が、予め設定された電流閾値を超える場合に、前記アノード電流を元の値に戻すように、前記引出電圧を変化させる
    電子銃の電流調整方法。

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